practicas lab maquinas ii

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Universidad de GuadalajaraCentro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías

Ingeniería Mecánica Eléctrica

Universidad de Guadalajara

Centro Universitario de Ciencias Exactas e Ingenierías

Ing. Mecánica Eléctrica

M. en C. Joel Aguilar Rosales

Javier Alejandro Calvillo Avila

Lab. Máquinas eléctricas II

Sábado 7:00 – 9:00am

Noviembre 24, 2014

Prácticas de Laboratorio

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Índice

1. Fundamentos de la Corriente Alterna

1.1 Resumen 4

1.2 Introducción 4

1.3 Conclusiones 6

1.5 Referencias 6

2. Fundamentos de las máquinas de corriente alterna

2.1 Resumen 7

2.2 Introducción 7

2.3 Desarrollo 8

2.5 Conclusiones 9

2.5 Referencias 9

3. Motor trifásico de inducción con rotor en jaula de ardilla

3.1 Resumen 10

3.2 Introducción 10

3.3 Desarrollo 11

3.5 Conclusiones 12

3.6 Referencias 12


2.1 Resumen 13


2.3 Desarrollo 15

2.3.1 Prueba 2.2 Corrección del factor de potencia, para un circuito

Combinado 15

2.3.2 Prueba 2.3 Corrección del factor de potencia, para un motor de

Inducción 18

4.5 Conclusiones 19

2.5 Referencias 19

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3.1 Resumen 20


3.3 Desarrollo 21

3.3.1 Prueba 3.2 Registro de la curva de corriente del rotor de una máquina

asíncrona 21

3.3.2 Prueba 3.3 Registro de la tensión del rotor de una máquina

Asíncrona 23

3.4 Conclusiones 24

3.5 Referencias 24


3.1 Resumen 25


3.3 Desarrollo 26

3.3.1 Prueba 3.4 Comportamiento del motor asíncrono bajo carga 26

3.4 Conclusiones 28

3.5 Referencias 29

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Fundamentos de Corriente Alterna

1.1 Resumen

En esta práctica se habló de manera teórica sobre los fundamentos de corriente alterna, fue importante esta práctica debido a que con ella pudimos aclarar y recordar ciertos conocimientos que serán de utilidad en próximas prácticas. Básicamente se habló sobre la generación transmisión y distribución de la c.a., sus aplicaciones y comparativas con la c.c. En la generación de corriente alterna pudimos observar mediante el uso de un osciloscopio como se obtiene la gráfica correspondiente con una forma de onda senoidal, analizando la teoría contenida en el manual encontramos el generador elemental, aquí pudimos ver de manera más clara como es que se genera la corriente alterna y a que se debe su onda senoidal.

1.2 Introducción

Un gran porcentaje de la energía eléctrica utilizada en todo el mundo es producida por alternadores. Por lo tanto es necesario comprender los principios de electricidad y magnetismo, y como estos principios se aplican a los circuitos de corriente alterna, a los componentes del circuito, a los instrumentos, transformadores, alternadores, motores y equipos de control.

La energía eléctrica una vez generada, se transmite a la zona de carga y es utilizada tanto en carga de corriente alterna o de corriente continua. Existen ciertas aplicaciones específicas tanto para la corriente alterna como para la continua, sin embargo para grandes sistemas de generación, transmisión y distribución es preferida la corriente alterna y esto es debido a factores importantes que se mencionan a continuación: Los generadores pueden construirse de capacidades de potencia y voltaje mucho mayores que los de corriente continua. El voltaje de corriente alterna puede elevarse o bajarse con eficiencia por medio de transformadores. Los alternadores de capacidad extremadamente grande y los transformadores con los que se puede subir y bajar el voltaje permiten conducir la energía de corriente alterna de forma económica a largas distancias de las centrales donde se genera a los diferentes centros de carga, en sistemas de transmisión de alto voltaje.

Por otra parte, la corriente continua también posee características únicas que son factor importante para su aplicación en diversos campos como en procesos electroquímicos, en la excitación de los devanados de los campos de los generadores de corriente alterna, en la operación de motores de velocidad variable que requieren ajuste sin saltos y una velocidad precisa, en los motores de tracción de locomotoras, trenes subterráneos, trolebuses y maquinaria pesada de construcción, entre otras aplicaciones.

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Voltaje alterno

El voltaje alterno es una fuerza electromotriz que cambia continuamente con el tiempo, elevándose de cero a un valor máximo en una dirección, disminuyendo a cero, elevándose al mismo valor máximo en la dirección opuesta, disminuyendo otra vez a cero, repitiendo luego estos valores a intervalos de tiempo iguales.Para generar corriente alterna es necesario un generador elemental que consiste en una sola espira girando dentro de un campo magnético uniforme. La espira que se encuentra girando corta las líneas del campo magnético en cada posición angular en la que se encuentra lo cual genera una fuerza electromotriz inducida, debido a que la espira se encuentra girando, se corta el campo magnético en una dirección para después volver al punto de origen y posteriormente cortar el campo magnético en la posición opuesta a la anterior y es por esto que se genera una forma de onda senoidal.

Ciclo de alternancia

Cuando un voltaje o corriente alterna se eleva de cero a su valor máximo en una dirección, vuelve a cero, luego aumenta a su valor máximo en dirección opuesta y de nuevo a cero, este grupo de recorridos se llama ciclo, este ciclo comprende de forma sinusoidal un ángulo de 360° por lo tanto cada ciclo está dividido en dos alternancias de 180° eléctricos de tiempo. Frecuencia

La frecuencia es el número de ciclos por segundo y su unidad es Hertz. Generalmente en América se utiliza una frecuencia de 60 Hz mientras que en Europa la frecuencia utilizada es de 50 Hz. Cada frecuencia tiene sus propias ventajas; cabe mencionar que no es posible unir dos sistemas eléctricos de distinta frecuencia, en caso de ser requerido es necesario acoplarlos mediante un enlace de alta tensión de corriente continua el cual actúa como interfaz entre ambos sistemas.

Formas de onda

No todas las ondas de voltaje alterno son senoidales, en algunos equipos electrónicos (como los generadores de señales) es posible obtener en la salida una onda cuadrada o rectangular. En el campo de la potencia a las frecuencias de 60 o 50 ciclos, la forma de las ondas se deforma algunas veces y no es verdaderamente senoidal, debido a condiciones que puedan existir en los generadores de c.a., en los transformadores y en otros equipos.

Frecuencias elevadas

En el campo de la electrónica las frecuencias usadas cubren una gama extremadamente amplia. Se utilizan frecuencias de entre 20 y 16,000 Hz para accionar bocinas de amplificadores y radiorreceptores, frecuencias de más de 15,000Hz consideradas como radiofrecuencias. Para los circuitos eléctricos de c.a. la frecuencia que más se utiliza es de 60 Hz.

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1.3 Conclusiones

Esta práctica fue muy importante desde mi punto de vista debido a que se tocaron temas los cuales nos son bases firmes para lo relacionado no solo con esta práctica, sino también nos facilitaran el entendimiento de conceptos que manejaremos en prácticas futuras así como también para lo relacionado con materias que van de la mano con esta.El poder comprender el comportamiento de la corriente alterna nos ayuda tanto a realizar el estudio y aplicación de la misma con fines académicos, y de igual forma en el campo laboral, al conocer su comportamiento, nos facilita la comprensión de fenómenos que puedan ocurrir en su momento así como también la posible solución que se les pueda dar.

1.4 Referencias

Maquinas Eléctricas IISergio de Jesús Ortiz Pérez / Juan Manuel Flores González / J. Guadalupe Andrade Novoa / José Luis Ramos JiménezEd. Astra

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2.1 Resumen

El objetivo de esta práctica fue comprobar mediante la experimentación, los factores de los que depende la inducción electromagnética. Para esta práctica utilizamos el material que se menciona en el desarrollo.Lo primero que se hizo fue conectar el galvanómetro a un solenoide (para medir la intensidad de corriente generada en la bobina por el campo magnético de un imán), después acercamos un imán al solenoide y lo movimos de forma paralela y a una velocidad cuasi constante para poder cortar las líneas de campo magnético del imán en las espiras del solenoide y con ello generar una pequeña corriente; se procedió a medir esa intensidad de corriente con el galvanómetro y pudimos darnos cuenta de que se trataba de un valor muy pequeño de corriente. Después utilizamos dos solenoides, uno de ellos conectado al galvanómetro y el otro en presencia del imán, en este caso como el primer solenoide era el más cercano al imán y al no estar conectados físicamente los dos solenoides ocurría el fenómeno de inducción electromagnética entre las bobinas, es por ello que el galvanómetro si nos arrojó resultados de medición en la segunda bobina a pesar de que no se encontraban conectadas mediante un medio físico.Para el tercer circuito sustituimos el imán por una fuente de corriente directa, aquí se pudo apreciar una mayor inducción electromagnética en la segunda bobina y por lo tanto una mayor intensidad de corriente; las mediciones que se obtuvieron en este circuito fueron de 0.94A aplicados con 5.2v inducidos para solenoides de forma cuadrada y 0.99A aplicados con 4.99v inducidos en los solenoides redondos. En el siguiente circuito se reemplazó la fuente de corriente directa por una fuente de corriente alterna, aquí se puede apreciar que el voltaje aplicado al primer solenoide fue de 12.2v con una corriente de 0.9A y en las mediciones del galvanómetro (inducción) fueron de 2.13 v y 2.4A los cuales fueron mayores que con C.D.Para el ultimo circuito utilizamos dos solenoides montados en un núcleo de hierro y en este circuito hicimos dos mediciones, una de ellas sin entrehierro (núcleo abierto) que nos daba un voltaje de 30v inducidos y la otra con el entrehierro (núcleo cerrado) que nos daba un voltaje inducido de 67v. Aquí pudimos observar que cuando tenemos dos solenoides montados en un núcleo de hierro cerrado, éste incrementa la intensidad del campo electromagnético inducido y con ello podemos obtener un voltaje inducido mucho mayor que sin núcleo de hierro.

2.2 Introducción

La ley de Faraday, también conocida como la ley de inducción electromagnética, nos dice que la magnitud del voltaje inducido en una espira única de conductor es proporcional a la velocidad de cambio de las líneas de flujo que pasan a través de esa espira. La inducción electromagnética es el principio sobre el que se basa el funcionamiento del generador eléctrico, el transformador y muchos otros dispositivos.

La ley de Faraday establece que si un flujo atraviesa una espira de alambre conductor, se inducirá en ésta un voltaje directamente proporcional al ritmo de cambio de flujo con respecto al tiempo. Una bobina encierra un flujo magnético, si el flujo incrementa, el

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voltaje que se forma en la bobina tiende a crear un flujo que se opone a este incremento. Una corriente que fluya de manera creciente producirá un flujo opuesto al incremento, por ello el voltaje inducido en la bobina debe tener la polaridad adecuada para dirigir esta corriente hacia el circuito externo.

Se denomina flujo al producto escalar del vector campo por el vector superficie. El flujo del campo magnético a través de N espiras iguales es, el producto del flujo a través de una espira por el número N de espiras. El sentido de la corriente inducida es tal que se opone a la variación del flujo.

2.3 Desarrollo

Prueba 2.1 Inducción electromagnética

El objetivo es comprobar los factores de los que depende la inducción electromagnética, para realizar la experimentación correspondiente se requieren dos solenoides (bobinado de hilo de cobre en un núcleo de hierro), imanes permanentes, un transformador desmontable, un galvanómetro, una fuente de c.c, una fuente de c.a., un interruptor de cuchilla.El primer circuito corresponde a conectar el galvanómetro a un solenoide, provocar un movimiento relativo entre el imán y la bobina de alambre de cobre procurando que el movimiento sea constante. En el segundo circuito se incluye otro solenoide en paralelo al anterior, aquí el imán se mueve relativamente entre el primer solenoide y el segundo se encuentra conectado al galvanómetro (básicamente es el mismo procedimiento que en circuito anterior solo que con dos solenoides). En el siguiente circuito se reemplaza el imán por una fuente de corriente continua conectada en el primer solenoide, con el galvanómetro se observa el voltaje inducido en el segundo solenoide. Para el siguiente circuito se incluye un interruptor de cuchilla en serie entre la fuente de c.c y el primer solenoide, aquí se pretende abrir y cerrar el interruptor para ver cómo se comporta el campo electromagnético inducido. En el siguiente circuito se reemplaza la fuente de c.c por una de c.a. y se retira el interruptor, se procede con la medición de la intensidad de voltaje y corriente inducido en el segundo solenoide. Para el último circuito se montan dos solenoides cuadrados en un núcleo de hierro, alimentando el primer solenoide por una fuente de c.a. Primero se toman las mediciones con el núcleo abierto y después se cierra el núcleo y se toman las mediciones correspondientes.

Diagrama Conclusiones2.1-1 Al inducir el campo directamente de la fuente natural (imán) tuvimos la

medición de la fuerza del campo magnético de dicha fuente.2.1-2 Al inducir el campo mediante un solenoide, la fuerza del campo inducido

quedó en función al número de vueltas de ambos solenoides por lo que fue menor que el diagrama anterior.

2.1-3 Al sustituir el imán por una fuente de c.c. pudimos apreciar que la fuerza del campo magnético aumentó, pero seguía sin ser una cantidad muy

considerable.2.1-4 Con el interruptor de cuchilla se podría observar que el campo magnético

se incrementaba en gran manera al conectar la cuchilla para después

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estabilizarse y esto ocurría cada vez que se abría o cerraba la cuchilla.2.1-5 Al alimentar el primer solenoide por una fuente de corriente alterna

pudimos apreciar que la fuerza del campo magnético inducido era mayor que en cualquiera de los casos anteriores.

2.1-6 Al estar el núcleo abierto la fuerza del campo magnético era la misma que la inducida, pero al cerrar el núcleo de hierro esta fuerza del campo

magnético incrementaba considerablemente.

2.4 ConclusionesEn esta práctica pudimos observar las características y diferentes intensidades de inducción electromagnética que se da entre dos solenoides al utilizar como alimentación un imán, una fuente de corriente directa o una fuente de corriente alterna; pudimos apreciar que se da una mayor inducción al utilizar la C.A.De igual manera se pudo apreciar de forma muy clara el fenómeno que se da al montar los solenoides o embobinados primario y secundario en un núcleo de hierro, al encontrarse está completamente cerrado propicia a un mayor flujo del campo magnético inducido y con ello un incremento a los valores de voltaje inducido.

2.5 Referencias


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3.1 ResumenEn esta práctica pudimos observar, por medio del material utilizado, el comportamiento físico del fenómeno de inducción.Para ello se utilizaron dos equipos (cuyo funcionamiento y montaje se describe más adelante), uno de ellos funcionaba mediante un imán giratorio y el otro mediante campo giratorio; cada equipo era muy diferente del otro en cuanto a su construcción, el primero de ellos contaba con un imán tipo herradura montado en una flecha en la parte superior del equipo, y justo debajo del imán se encontraba un disco de aluminio. Al momento de conectar el equipo a una fuente de 110v de corriente alterna se hacía girar el imán mediante un regulador de velocidad, una vez en movimiento el imán, se inducia un campo magnético al disco de aluminio, el cual giraba a la misma dirección y velocidad del imán. Al invertir el sentido de giro del imán también cambiaba el sentido de giro del disco de aluminio.El otro equipo consistía en un motor trifásico de inducción, en este equipo el estator se conectaba a la fuente de alimentación de 220v y en el rotor estaba montada una lata de aluminio. Al energizar el estator del motor de manera inmediata se generaba un campo magnético el cual se inducia en la lata de aluminio y hacia girar a la misma, como la velocidad de rotación del rotor, en este caso la lata, era igual a la velocidad de giro del campo magnético del estator, era necesario regular la velocidad en porcentajes pequeños, aproximadamente 25% de la velocidad nominal, esto debido a la inestabilidad de la lata, ya que si se incrementaba la velocidad de esta misma podía salir de su eje y provocar un corto circuito en los devanados del estator, lo que dañaría el equipo.

3.2 Introducción

El motor trifásico de inducción, en jaula de ardilla, es de construcción sencilla y requiere poco mantenimiento. El tamaño de este tipo de motor, para una potencia dada en caballo de fuerza es relativamente pequeño cuando se compara con otros tipos de motores. Tiene una regulación de velocidad muy buena cuando la carga es variable. Debido a que su costo de compra es relativamente bajo, ya que es de construcción robusta y de buen funcionamiento, el motor trifásico de inducción se usa mucho en varias aplicaciones industriales. Consta de una parte estacionaria llamada estator, de una parte giratoria llamada rotor y de dos tapas de carcaza que alojan los cojinetes que suportan el eje del rotor. El estator típico consiste en un devanado trifásico que se mantiene en su sitio en las ranuras de un núcleo laminar de hierro. El devanado en si está formado por bobinas dispuestas y conectadas para formar tres devanados monofásicos separados entre sí 120 grados eléctricos cuya conexión es en delta o estrella.El rotor consiste en un núcleo cilíndrico hecho de hojas recortadas o laminaciones de hierro. Se montan barras de cobre cerca de la superficie del rotor y se funden o se sueldan a dos anillos extremos de cobre, la flecha del rotor se apoya en cojinetes alojados en las tapas o escudos externos.

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El motor de inducción es el motor de corriente alterna que más se emplea debido a su fortaleza y simplicidad, a la ausencia de colector y al hecho de que sus características de funcionamiento se adaptan bien a una marcha a velocidad constante.En un aparato de inducción de produce una acción generadora que induce corrientes, y una acción motriz que obliga a las corrientes inducidas a seguir el campo del conductor. Cuando el bobinado trifásico de un motor de inducción es conectado a una fuente trifásica, tres corrientes independientes circularan a través de dicho bobinado, una para cada bobinado de fase. Cada una de estas corrientes estarán desplazadas 120 grados eléctricos, es decir, la corriente en la fase A alcanzará su máximo positivo 120° eléctricos, seguida después en la fase B, entonces la corriente en la fase B será máxima positiva 120° eléctricos después, del mismo modo ocurre con la fase C.

3.3 Desarrollo

Prueba 2.1 Inducción electromagnética

El objetivo de esta práctica es comprender el efecto de inducción electromagnética ejercida en un disco de aluminio. Para ello se utilizaran dos aparatos para la demostración de inducción electromagnética, uno mediante un imán giratorio y otro mediante un campo giratorio.

El procedimiento para llevar a cabo la práctica es como se describe a continuación: 1.- Conectar el aparato para la demostración de la inducción electromagnética a la fuente de 110v y encenderla. Girar el regulador de velocidad del imán de herradura y observar lo que sucede en el disco de aluminio que se encuentra debajo del imán.2.- invertir el sentido de giro del imán y observar lo que sucede.3.- Desconectar el aparato anterior y conectar el estator del motor trifásico de inducción a una fuente de voltaje regulable o autotransformador trifásico, aplicar solo el 25% del voltaje nominal a las terminales del motor y observar lo que ocurre con el bote de aluminio.4.- Invertir dos de las tres terminales de alimentación trifásica y observe lo ocurrido.

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Cuestionario

¿De qué depende el sentido de giro del disco?De la polaridad del imán montado en la parte superior del disco.

¿De qué depende la velocidad de giro del disco?La velocidad de giro del disco depende del voltaje suministrado por la fuente de alimentación.

¿De qué depende el sentido de giro del cilindro de aluminio? De la polaridad del embobinado del estator, lo cual determina de igual manera el sentido de giro del campo magnético generado en el estator, el cual se induce en

¿De qué depende la velocidad de giro del cilindro de aluminio?Depende directamente de la velocidad del campo magnético del estator el cual va en función al voltaje de la fuente de alimentación.

3.4 ConclusionesEsta práctica fue de mucha importancia ya que tuvimos la posibilidad de observar físicamente el fenómeno de inducción electromagnética.La inducción electromagnética es un tema de estudio muy interesante y tiene una infinidad de aplicaciones en la vida cotidiana, por ello es muy importante conocer el comportamiento de este fenómeno, así como la forma en que opera y esta práctica fue de mucha ayuda debido a que observando dicho fenómeno en el equipo que manejamos pudimos reforzar el conocimiento teórico antes adquirido sobre la inducción electromagnética.

3.5 Referencias


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2.1 Resumen

Lo primero que se nos enseñó en esta práctica fue la conexión del equipo de medición de potencia, al ser un aparato algo especial, requería de una conexión particular, este equipo analógico debía ser alimentado de forma paralela con la fuente de alimentación del circuito con el que trabajamos, una punta común tenía que conectarse con otro borne del dispositivo que correspondía a la entrada de un amperímetro interno, y mediante tres bornes de diferente escala de corriente teníamos la salida del dispositivo, con esto podamos medir la potencia consumida en algún punto del circuito. Después se nos guio a través del proceso de conexión de los elementos que integraban el circuito, un banco de lámparas, un motor de inducción y un banco de capacitores.

Una vez que dominamos la conexión tanto del equipo como del circuito con el que trabajaríamos comenzamos con las mediciones respectivas a esta práctica.Primero conectamos solamente el banco de lámparas, con ello obtuvimos las mediciones de voltaje de línea, el voltaje de la resistencia que generaba el banco de lámparas, y la potencia consumida. Posteriormente procedimos a desconectar el banco de lámparas y conectar solamente el motor de inducción, con ello tomamos las medidas correspondientes de voltaje de línea, corriente de línea y consumida por el motor y la potencia consumida. Ya concluida la toma de mediciones se conectaron tanto el banco de lámparas como el motor, se tomaron las medidas de voltaje de línea, corriente de línea, corriente en el banco de lámparas, corriente en el motor y la potencia del circuito.Por último se conectaron tanto el banco de lámparas como el motor y el banco de capacitores para tomar posteriormente las medicines respectivas.

Con las mediciones obtenidas se requiere calcular el factor de potencia y el ángulo que se genera entre corriente de línea y corriente de carga en cada caso con la finalidad de graficar dichos valores y compararlos entre sí para ver cómo influye el banco de capacitores para corregir el factor de potencia que se tiene cuando dicho banco no está conectado en el circuito.

2.2 Introducción

Regla de Fleming

La relación entre las direcciones de la f.e.m. inducida, campo magnético y movimiento del conductor se representa y se recuerda cómodamente mediante la regla de Fleming. Cuando se emplea una corriente convencional para determinar la dirección de la f.e.m. inducida se llamara la regla de Fleming donde con el dedo índice se señala la dirección del campo magnético, con el pulgar se apunta la dirección del movimiento del conductor y con el dedo medio que es el resultante se representa la dirección de la f.e.m. inducida.

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Ley de Lenz

En todos los casos de inducción electromagnética, un voltaje inducido hará que fluya una corriente en un circuito cerrado de dirección tal que se efecto magnético se oponga al cambio que la produce. En otras palabras, la ley de Lenz implica una causa y un efecto que se opone a la causa. La causa implicada es un cambio en los eslabonamientos de flujo, el efecto implicado es una corriente, debida a un voltaje inducido, cuyo cambio se opone a la causa.

Generador elemental

El generador de corriente alterna es un dispositivo que convierte la energía mecánica en energía eléctrica. El generador más simple consta de una espira rectangular que gira en un campo magnético uniforme. El movimiento de rotación de las espiras es producido por el movimiento de una turbina accionada por una corriente de agua en una central hidroeléctrica, o por un chorro de vapor en una central térmica. En cualquiera de los casos, e inclusive otros, se requiere de una fuerza mecánica externa para darle una rotación a las espiras.

Potencias eléctricas en sistemas eléctricos

Un sistema polifásico está formado por dos o más tensiones iguales con diferencia de fases constante, que suministran energía a cargas conectadas. En un sistema bifásico la diferencia de fase entre las tensiones es de 90° mientras que en trifásicos es de 120°. Los sistemas trifásicos son utilizados en la generación, transmisión y distribución de la energía eléctrica. Los generadores pueden conectarse de estrella o delta. En la conexión estrella encontramos dos sistemas de tensiones, las de fase y las de línea o compuestas, e la conexión delta las tensiones de fase coinciden con las tensiones de línea.

Análisis y corrección del factor de potencia

El factor de potencia es la relación de la potencia activa usada en un circuito y la potencia aparente que se obtiene de las líneas de transmisión. Las cargas industriales en su naturaleza eléctrica son de carácter reactivo, esto obliga a que junto a la potencia activa se sume el de una potencia llamada reactiva.La potencia reactiva, la cual no produce un trabajo físico directo en los equipos, es necesaria para producir el flujo electromagnético que pone en funcionamiento motores, transformadores, lámparas fluorescentes, etc. Cuando la cantidad de estos equipos es apreciable los requerimientos de potencia reactiva también se hacen significativos lo cual produce una disminución exagerada del factor de potencia.El hecho de que exista un bajo factor de potencia en una industria produce aumento de la intensidad de corriente, fuertes caídas de tensión, incrementos de potencia, aumento de la temperatura de los conductores, entre otros.Mejorar el factor de potencia resulta practico y económico por medio de la instalación de condensadores eléctricos estáticos o utilizando motores sincrónicos disponibles en la industria. Para determinar la cantidad de condensadores necesarios de mide la energía

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activa y reactiva que consumen las instalaciones existentes y con ello es posible calcular la potencia reactiva necesaria para lograr la compensación deseada.

2.3 Desarrollo

Prueba 2.2 Corrección del factor de potencia, para un circuito combinado

El objetivo de esta práctica es determinar las relaciones de la corriente y el factor de potencia, en un circuito en paralelo de corriente alterna que tenga resistencia, inductancia y capacitancia.El equipo utilizado fue el siguiente: Una carga resistiva (banco de lámparas incandescentes), una carga inductiva (motor de inducción), carga capacitiva (banco de capacitores), un analizador industrial.

El procedimiento para elaborar la práctica se describe a continuación:

1.- Conectar los elementos como se muestra en el circuito2.- Cerrar el interruptor de la línea y activar solamente el ramal del banco de lámparas. La corriente en éste no debe ser mayor de 4A. Leer y registrar los volts, la corriente de línea y potencia activa en watts.3.- Desconectar el ramal con resistencia y activar el circuito del motor. Repetir el procedimiento del paso 2.4.- Conectar el ramal de resistencia, con el del motor. Leer y registrar el voltaje, la corriente en línea, en el ramal de resistencia y en el motor, y la potencia activa en watts.5.- Determinar la capacitancia del capacitor, necesaria para elevar el factor de potencia del circuito hasta que sea lo más aproximada a la unidad. Conectar los capacitores como se muestra en el circuito.6.- Leer y registrar el voltaje, la corriente en la línea y en cada ramal y la potencia total en watts.

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Observaciones

Caso UL IL IR IC IM Pe Condición1 127 v 13.25 A 13.2 A xxx xxx 1.70 KW Solo los focos2 131 v 4.45 A xxx xxx 4.5 A 1.73KW Solo motor3 127.4 v 15 A 13.5 A xxx 4.7 A 1.84KW Motor y focos4 127.2 v 14.9 A 13.4 A 0.58 A 4 A 1.83KW Motor, focos y

capacitor

Cálculos

Caso IL Factor de potencia Angulo entre IL y I de cada carga1 13.25 0.3367 70.322 4.45 0.9892 8.423 15 0.3209 71.284 14.9 0.3218 71.22

Cos φ= P

(3V )(I )

Caso 1

Cos φ= 1700

3(127)(13.25) = 0.3367

Caso 3

Cos φ= 1840

3(127.4)() = 0.3209

Caso 2

Cos φ= 1730

3(131)(4.45) = 0.9892

Caso 4

Cos φ= 1830

3(127.2)(14.9) = 0.3218

Caso 1φ=cos-1 F.Pφ=cos-1 0.3367φ = 70.32

Caso 3φ=cos-1 F.Pφ=cos-1 0.3209φ=71.28

Caso 2φ=cos-1 F.Pφ=cos-1 0.9892φ=8.42

Caso 4φ=cos-1 F.Pφ=cos-1 0.3218φ= 71.22

Cuestionario

¿Cuál es el uso principal de los bancos de capacitores en los trabajos de potencia industrial?El principal uso de bancos de capacitores en trabajos de potencia en industrias es precisamente corregir y mejorar el factor de potencia con el que está trabajando la maquinaria, que dicho factor de potencia sea lo más cercano a la unidad.

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Dense las razones por las que se debe operar en la industria con factor de potencia próximo a la unidadUna razón por la cual se debe trabajar con un factor de potencia próximo a la unidad es precisamente por seguridad de los equipos instalados en dicha industria, si se trabaja con un factor de potencia muy bajo se sufre de un aumento de corriente para alimentar la maquinaria, lo cual puede causar un daño permanente al equipo.Otra razón importante por lo que se debe trabajar con un factor de potencia próximo a la unidad es debido a que la compañía suministradora de electricidad cobra impone multas importantes a aquellas industrias que trabajan con un factor de potencia bajo ya que demandan un consumo mayor de potencia reactiva lo que implica que la compañía suministradora debe generar dicha potencia para satisfacer la demanda lo cual es un gasto fuerte para la compañía suministradora.

¿Cuál debe ser el valor del capacitor para que se corrija a la unidad el factor de potencia para el caso 3 (motor y focos)?

E= 127.4vI= 13 Aφ = 71.28

Cos φ = I faseI de linea

I en fase = (0.3209) (15) = 4.8135 A

Sen φ = I cuadraturaI de linea

I cuadratura = (0.9470) (15) =14.2064 A

KW = V∗I∗cosφ

1000 =

(127.4)(15)(0.3209)1000

= 0.6132KW

KVAR = V∗I cuadratura

1000 =

(127.4 )(14.2064 )1000

= 1.8098KVAR

Xc = EI

= 127.4

14.2064 = 8.9677 Ω

Xc = 1

2πfC C= KW =

1(8.9677 )(377) = 0.2957 µF

¿Cuáles son los inconvenientes de tener una sobre compensación en el circuito?Se tiene una mayor potencia reactiva, y por consecuencia una menor potencia activa lo que afectaría al funcionamiento de los equipos conectados al sistema.

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Prueba 2.3 Corrección del factor de potencia, para un motor de inducción

El objetivo del ensayo es demostrar que la corriente inductiva de la maquina asíncrona se puede compensar con condensadores conectados en paralelo.

El motor asíncrono se conecta, lo mismo que para el servicio normal con motor, a la red de corriente trifásica y se acopla al freno de corrientes parasitas. Para el estator de la maquina se conectan en paralelo condensadores en conexión en estrella o en triangulo.

El motor asíncrono se pone en marcha mediante el reóstato de arranque del rotor y luego se carga con el freno de corrientes parasitas.

Se registra lo siguiente, con tres valores de compensación en µf, anotando para cada caso el valor de los capacitores.

Caso UL IL Pe IS IC S Cos φVacío 227 0.98 0.103 0.56 xxx 667.38 0.1543

Nominal 225 1.54 0.487 0.87 xxx 1039.5 0.4684µf (1) 225 1.43 0.455 0.84 0.13 965.25 0.4713µf (2) 225 1.38 0.487 0.87 0.26 931.5 0.5228µf (4) 226 1.28 0.493 0.86 0.55 867.84 0.5680µf(8) 226 1.27 0.499 0.86 1.10 861.06 0.5795

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S= 3V*IS = 3(227) (0.98) = 667.38 VAS = 3(225) (1.54) = 1039.5 VAS = 3(225) (1.43) = 965.25 VAS = 3(225) (1.38) = 931.5 VAS = 3(226) (1.28) = 867.84 VAS = 3(226) (1.27) = 861.06 VA

Cos φ = P/SCos φ = 0.103 / 0.66738 = 0.1543 Cos φ = 0.487 / 1.0395 = 0.4684Cos φ = 0.455 / 0.96525 = 0.4713Cos φ = 0.487 / 0.9315 = 0.5228Cos φ = 0.493 / 0.86784 = 0.5680Cos φ = 0.499 / 0.86106 = 0.5795

2.4 Conclusiones

En esta práctica pudimos observar el comportamiento del voltaje y la corriente en los distintos tipos de cargas que encontramos en la industria como las cargas resistivas (representadas por medio del banco de lámparas), las cargas inductivas (cargas del motor) y las cargas capacitivas (del banco de capacitores).

Cada carga ya sea conectada individualmente o compartida con otras cargas nos mostraba comportamiento distinto en cuanto se refiere a sus parámetros de voltaje, corriente y potencia.En los casos en los que se tiene un factor de potencia bajo, es decir un desfasamiento de la corriente con respecto al voltaje mucho menor a la unidad, podemos corregir ese ángulo con la finalidad que dicho desfasamiento sea lo más cercano a la unidad.Es muy importante conocer el modo de operación de las diversas cargas así como los factores de potencia que influyen en cada uno de ellos, para poder tomar decisiones correctas en la industria cuando así se requiera.

2.5 Referencias


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3.1 Resumen

Para la primera prueba lo primero que se nos enseño fue la forma en que se llevan a cabo las conexiones para el primer circuito, la forma en que se conecta el estator, la conexión respectiva al rotor, la conexión del reóstato y el punto de alimentación. Una vez dominadas dichas conexiones procedimos a la medición y toma de valores, para ello se hizo uso de un amperímetro conectado en el estator, un amperímetro conectado a una terminal del rotor y un tacómetro de mano para medir las rpm del motor.La primera medición que se obtuvo fue la de la corriente y velocidad del rotor cuando el motor se encontraba trabajando en vacío, se registraron los valores correspondientes.Sabiendo que el límite de corriente a aplicar al motor era de 15 A, se hizo un cálculo para determinar la corriente que se aplicaría al motor, así como la velocidad del rotor al conectarlo a un freno de corrientes parásitas, que en este caso fue un motor de c.c usado como generador para alimentar un banco de lámparas fluorescentes, para que trabajara a diversos niveles de par de giro.Una vez realizado este cálculo se procedió a alimentar el motor con cada una de las corrientes obtenidas en el cálculo anterior para posteriormente medir las rpm que otorgaba el rotor del motor para cada valor de corriente de alimentación. Los valores se registraron siento 0.4 A el valor de corriente y 1793 las rpm otorgadas por el rotor trabajando en vacío y 14.38 A la carga máxima aplicada obteniendo así una velocidad de 1596 rpm alimentando por completo todos los bancos de lámparas instalados.

3.2 Introducción

El motor de jaula de ardilla, como el shunt de corriente continua, marcha a velocidad prácticamente constante. Como el rotor no puede alcanzar la velocidad de rotación del campo magnético, debe siempre marchar con cierto grado de deslizamiento. En vacío el deslizamiento es muy pequeño. Al aplicar la carga al rotor se requiere un aumento de corriente que pasa por él para desarrollar el par necesario para vencer el aumento de carga. En consecuencia, el campo magnético rotatorio debe cortar los conductores del rotor a mayor velocidad, para que se produzca el aumento de corriente necesario.

Una desventaja del tipo normal del motor de jaula de ardilla es que en el arranque absorbe una corriente intensa con bajo factor de potencia y que, a pesar de ello, desarrolla un par muy pequeño. Cuando el motor está en reposo, el rotor de jaula de ardilla actúa como el secundario de un transformador puesto en corto circuito, que absorbe una corriente excesiva si se aplica toda la tensión.Cuando el rotor está en reposo, la frecuencia de la fem inducida en el rotor es igual a la frecuencia del campo magnético giratorio. Por otro lado el rotor no es capaz por si solo de girar a la misma velocidad que la del campo giratorio por las razones ya expuestas anteriormente. La frecuencia que de induce en el rotor varía inversamente a la velocidad del rotor desde un máximo estando en reposo hasta cero frecuencia a la velocidad síncrona.

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Ya que los conductores del rotor tienen una resistencia relativamente baja, pero están embebidas en hierro, poseen la propiedad de inductancia y, en consecuencia, de reactancia inductiva. Dicha reactancia del rotor varía con la frecuencia del rotor y además con la inductancia del mismo.El par motor producido por un motor de inducción se puede expresar en términos del flujo o corriente, de la intensidad de los campos del estator y de las relaciones de fase entre ellos.

Cuando se activa el motor existe un breve instante antes de que el rotor comience a girar y por lo tanto el deslizamiento es la unidad, o 100%, en ese tiempo la frecuencia del rotor es la misma que la del estator. La reactancia inductiva del rotor es muy grande comparada con la componente de resistencia efectiva y el rotor tiene un factor de potencia de retraso muy bajo. El flujo del rotor se retrasa del flujo del estator a un ángulo de fases considerable, lo que hace que la interacción entre los dos campos sea pequeña y el par de arranque bajo. 3.3 Desarrollo

3.3.1 Prueba 3.2 Registro de la curva de corriente del rotor de una máquina asíncrona

El objetivo de esta práctica es el registro de la curva de la corriente del rotor en función del par de giro, para después compararla con su curva típica o de contraste I2= en función de Md (par de giro) siendo éste el interés principal para el ensayo de carga.La asincronía de inducción se acopla solamente con el freno de corrientes parásitas. Rango de medida del amperímetro en el circuito del rotor 15ª. Como quiera que haya que medir la corriente en vacío del rotor, no se pueden acoplar las otras máquinas, y por tanto, tampoco tomar lectura de las revoluciones en el instrumento indicador de revoluciones. Por esta razón hay que obtener el número de revoluciones con un tacómetro manual.

Para la ejecución del ensayo, se acciona el interruptor principal de la máquina asíncrona y con el reóstato de arranque se va acelerando el motor lentamente.Después de medir la corriente en vacío del rotor y las revoluciones en vacío se conecta el freno de corrientes parásitas, se ajusta ininterrumpidamente en 20% Md y se mide la corriente del rotor así como las revoluciones. Una vez realizada cada medición hay que desconectar inmediatamente el freno. Las mediciones se repiten en intervalos de 10% de Md.

Del grafico de líneas del freno de corrientes parásitas se toma para cada par de giro ajustado en % Md y las revoluciones medidas al mismo tiempo, el par de giro en Kg-m. Luego las corrientes en vacío medidas se registran en función de los pares de giro correspondientes, y las curvas obtenidas se comparan con la curva típica.

Si en el circuito del rotor se conecta en serie con el amperímetro de hierro móvil, un amperímetro de bobina móvil con cero en el centro de la escala, con este instrumento se puede mostrar, o determinar con cifras, la frecuencia en el rotor que existe durante el servicio. En el momento de arranque hay que puentear el instrumento de bobina móvil.

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I2 n Md Kg-m %s0.4 1793 Vacío 0 0.383 1750 20% 0.22 2.77

4.5 1737 30% 0.35 3.506 1707 40% 0.48 5.17

7.5 1689 50% 0.60 6.169 1670 60% 0.73 7.22

10.5 1652 70% 0.86 8.2212 1626 80% 1.00 9.66

13.5 1610 90% 1.15 10.5514.38 1596 100% 1.22 11.33

Vs = (120)( f )N °P

= (120)(60)

4 = 1800

%s = S−srS

*100 %s = 1800−1793

1800 * 100 = 0.38%

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.402468

10121416

Par- Corriente

Par- Corriente

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3.3.2 Prueba 3.3 Registro de la tensión del rotor de una máquina asíncrona

El objetivo del ensayo es registrar la tensión del rotor en función del número de revoluciones. La sincronía de inducción se acopla con las demás maquinas, la máquina 3 se conecta como motor de c.c. en derivación de excitación independiente, para lo cual se conecta el embobinado de campo al rectificador de selenio y, el inducido, al rectificador de vapor de mercurio. La máquina 4 se empalma a la red de corriente trifásica, y el embobinado del rotor se conecta a un voltímetro de hierro móvil.

Para la ejecución del ensayo, se acciona el interruptor de la máquina 4, conectándose así el estator a la red trifásica. Después de medir la tensión del rotor en reposo del motor asíncrono, se conecta el inducido del motor de c.c. a una fuente independiente, variando el voltaje con objeto de variar las revoluciones de éste. Se toman lecturas de voltaje en el rotor en cada cambio de revoluciones y se calcula el deslizamiento en cada caso.

Utilizando las abscisas para las revoluciones (n en rpm) y las ordenadas para el voltaje inducido en el rotor, trazar la curva correspondiente al ensayo.

Obs. UL n %s1 89.4 0 1002 23 1334 25.883 22 1352 24.884 21.6 1360 24.445 21 1372 23.776 20.5 1385 23.057 20 1396 22.448 19.5 1406 21.889 18.9 1420 21.1110 18 1440 20

24



0 200 400 600 800 1000 1200 1400 16000

102030405060708090

100

RPM- Voltaje

RPM- Voltaje

3.4 ConclusionesCuando se trabaja con un motor asíncrono de inducción tipo jaula de ardilla, se presentan varios factores que no ocurren en un motor síncrono, es por ello que se requiere conocer de la velocidad con la que se desplaza el campo magnético giratorio en el motor y conociendo la velocidad del rotor podemos calcular la velocidad de desplazamiento de la máquina y con ello poder determinar otros factores como las potencias y eficiencia de la maquina como se puede apreciar con más claridad en las gráficas antes mostradas.

3.5 Referencias



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3.1 Resumen

En esta práctica lo se realizaron las mismas conexiones que en la práctica anterior, los valores que se midieron fueron el voltaje de la línea así como la intensidad de corriente de la misma al trabajar a diferentes porcentajes de carga, después se midió la potencia de entrada mediante el voltímetro conectado en paralelo con la línea de alimentación y el amperímetro de gancho en una de las líneas restantes, la potencia de entrada trifásica se anotó en la tabla y posteriormente se midió la corriente del rotor para después medir la velocidad del rotor lo cual nos ayudará a realizar los calcular correspondientes a la velocidad de desplazamiento. Ya con la tabla llena de las mediciones que se tomaron, se realizan los cálculos respectivos a los campos vacíos de la tabla y se hacen las gráficas que se indican más adelante.

3.2 Introducción

Pérdidas en las máquinas de corriente alterna

Los motores de c.a. toman potencia eléctrica y producen potencia mecánica, pero no toda la potencia de entrada a las máquinas se transforma útil en el otro extremo, siempre hay pérdidas asociadas en el proceso.Las pérdidas de potencia en la dinamo se pueden dividir en cuatro grupos:1.- Las que se producen por el flujo de la corriente a través de las diversas partes de los devanados del motor, que se llaman pérdidas eléctricas o pérdidas en el cobre.2.- Pérdidas en el núcleo.3.- Pérdidas mecánicas.4.- Pérdidas dispersas o adicionales.

El primer grupo de pérdidas, que se llaman pérdidas eléctricas o en el cobre, son las I2R que se producen en los devanados del motor. Las pérdidas en el cobre son producidas por el calentamiento resistivo que se presenta en los devanados del estator (campo) y el rotor (inducido) de la máquina. Es necesario determinar primero la resistencia equivalente tanto del estator como del rotor combinados, para después deducir las pérdidas en el cobre del estator y rotor combinados.Las pérdidas en el núcleo son las perdidas por histéresis y por corrientes parásitas que se presentan en el material magnético del motor. Las pérdidas mecánicas en una máquina de c.a. son las pérdidas asociadas a los efectos mecánicos como pueden ser por fenómenos de fricción y rozamiento con el aire.Las pérdidas dispersas son aquellas que no se pueden ubicar en ninguna de las categorías anteriores. Sin importar qué tanta precisión se tenga para considerar las pérdidas, siempre hay algunas que se escapan de las categorías anteriores.

Para la determinación de la eficiencia de la máquina de corriente alterna en general se utilizan dos métodos. El primer método es el convencional, porque no implica cargar el motor de inducción y se realiza en dos etapas, la primera se llama prueba en vacío, o sin carga, y la segunda se usa con el método del rotor bloqueado. Este método se emplea en

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general en motores de inducción grandes en los cuales no es práctico o antieconómico cargarlos.El segundo método es el de la IEEE, del circuito equivalente de carga-deslizamiento. En general, este método es más exacto que el anterior, pero necesita la medición de deslizamientos a diversas cargas, desde sin carga hasta plena carga o carga nominal del motor de inducción. Se acostumbra llevarlo a cabo en motores pequeños de inducción, que se pueden cargar mediante frenos de corrientes parásitas o con generadores eléctricos. 3.3 Desarrollo

3.3.1 Prueba 3.4 Comportamiento del motor asíncrono bajo carga

El objetivo de este ensayo es observar el comportamiento del motor asíncrono bajo carga, así como el registro de la curva característica del rendimiento y del factor de potencia.El motor asíncrono se carga con la máquina de c.c. y el freno de corrientes parásitas. Las otras máquinas marchan al mismo tiempo y en vacío. La máquina de c.c. se conecta como generador, es excitada independientemente y sometida a carga con las lámparas incandescentes.

Para llevar a cabo esta práctica se pone en marcha el motor asíncrono con el reóstato de arranque del rotor. Luego se va excitando despacio la máquina de c.c. La tensión del inducido, y por lo tanto la potencia del frenado, se ajustan con la excitación independiente. Sólo después de llegar a plena tensión del inducido se carga adicionalmente con el freno de corrientes parásitas. Para evitar un calentamiento excesivo del freno y de las máquinas que hay que conectar la carga siempre un poco antes de la medición, y volver a desconectar en cuanto se ha efectuado la lectura de los instrumentos.En el circuito de prueba de la máquina asíncrona se miden: la tensión de línea primaria (v), la corriente de línea primaria (A), la potencia activa de entrada trifásica (W), la corriente del rotor (A) y las revoluciones de la máquina (rpm).

Graficas A base de los valores obtenidos se pueden trazar las siguientes curvas: por ciento de deslizamiento en función del par de giro, factor de potencia en función de la potencia de salida y eficiencia en función de la potencia de salida.

Cuestionario

¿Por qué es malo el par de arranque del motor de inducción en jaula de ardilla?El par de arranque de un motor de inducción jaula de ardilla es malo debido a que al arranque el motor demanda de 6 a 8 veces su corriente nominal, lo que, en motores grandes, es necesario establecer un método de arranque a tensión reducida del motor para evitar este incremento de corriente (que el sistema eléctrico puede interpretar como corriente de cortocircuito) y esto tiene como consecuencia que el par del motor sea malo

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Díganse cuatro ventajas del motor de inducción de jaula de ardilla.- Marcha a velocidad constante- Fortaleza y simplicidad- Tamaño (para potencia en HP) es relativamente pequeño comparado con otros motores- Requiere de un mantenimiento casi nulo

Díganse dos desventajas del motor de inducción de jaula de ardilla.-Bajo par de arranque por lo que es muy complicado que arranque bajo carga.-Demanda de 6 a 8 veces su corriente nominal al arranque.

%Md UL IL Pe I2 n Md cosφ S %s Ps ηVacío 226 2.64 0.45 2.4 1760 10 89.98 1800 2.22 0.18 40

20 225 3.35 0.89 4.9 1720 20 89.97 1800 4.44 0.35 39.330 225.4 3.83 1.11 6.16 1700 30 89.96 1800 5.55 0.52 46.840 226 4.3 1.31 7.42 16.85 40 89.95 1800 6.38 0.69 52.650 225.7 4.8 1.52 8.68 1666 50 89.95 1800 7.44 0.85 55.960 225 5.15 1.67 9.94 1648 60 89.94 1800 8.44 1.01 60.470 225.6 5.72 1.87 11.20 1630 70 89.94 1800 9.44 1.17 62.580 225.2 6.2 2.04 12.46 1616 80 89.93 1800 10.22 1.32 64.790 225 6.74 2.25 13.72 1590 90 89.92 1800 11.66 1.46 64.8100 224 7.28 2.43 14.98 1570 100 89.92 1800 16.77 1.61 66.2

0 0.10.20.30.40.50.60.70.80.9 1 1.11.21.31.40.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

12.00

14.00

%s en función de Md

%s en función de MdLinear (%s en función de Md)

Md

%s

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 22500

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1 cos(p) en función de Ps

cos(p) en funcion de PsLogarithmic (cos(p) en funcion de Ps)Power (cos(p) en funcion de Ps)

Md

%s

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3.4 ConclusionesAl trabajar con un motor asíncrono de inducción tipo jaula de ardilla, se presentan varios factores que no ocurren en un motor síncrono, es por ello que se requiere conocer de la velocidad con la que se desplaza el campo magnético giratorio en el motor y conociendo la velocidad del rotor podemos calcular la velocidad de desplazamiento de la máquina y con ello poder determinar otros factores como las potencias y eficiencia de la maquina como se puede apreciar con más claridad en las gráficas antes mostradas.

3.5 Referencias

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 22500

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1 cos(p) en función de Ps

cos(p) en funcion de PsLogarithmic (cos(p) en funcion de Ps)Power (cos(p) en funcion de Ps)

Md

%s

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 22500

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100Rendimiento en función de Ps

Ps

%s

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practicas lab maquinas ii

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